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智能指针【C++11】

news 来源：原创 2025/6/5 3:33:50

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智能指针
std::auto_ptr
std::unique_ptr
std::shared_ptr
std::shared_ptr的线程安全问题
std::weak_ptr

智能指针

std::auto_ptr

管理权转移

auto_ptr是C++98中引入的智能指针，auto_ptr通过管理权转移的方式解决智能指针的拷贝问题，保证一个资源在任何时刻都只有一个对象在对其进行管理，这时同一个资源就不会被多次释放了4

class A
{
public:// 构造函数，初始化列表中给成员变量_a赋值A(int a = 0) : _a(a) {std::cout << "A(int a = 0)" << std::endl;}// 析构函数~A() {std::cout << "~A()" << std::endl;}
private:int _a;
};int main()
{auto_ptr<A> ap1(new A(1));auto_ptr<A> ap2(new A(2));//管理权转移，拷贝时，会把被拷贝对象的资源管理权转移给拷贝对象，导致被拷贝对象悬空auto_ptr<A> ap3(ap1);return 0;
}

	int main()
{
//std::auto_ptr<int> ap1(new int(1));//管理权转移，拷贝时，会把被拷贝对象的资源管理权转移给拷贝对象，导致被拷贝对象悬空std::auto_ptr<int> ap2(ap1);*ap2 = 10;//*ap1 = 20; //errorstd::auto_ptr<int> ap3(new int(1));std::auto_ptr<int> ap4(new int(2));ap3 = ap4;return 0;
}

一个对象的管理权转移后也就意味着，该对象不能再用对原来管理的资源进行访问了，否则程序就会崩溃，因此使用auto_ptr之前必须先了解它的机制，否则程序很容易出问题，很多公司也都明确规定了禁止使用auto_ptr

简易版的auto_ptr的实现

1、在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源，利用对象的生命周期来控制资源。
2、对*和->运算符进行重载，使auto_ptr对象具有指针一样的行为。
3、在拷贝构造函数中，用传入对象管理的资源来构造当前对象，并将传入对象管理资源的指针置空。
4、在拷贝赋值函数中，先将当前对象管理的资源释放，然后再接管传入对象管理的资源，最后将传入对象管理资源的指针置空

namespace cxq
{template<class T>class auto_ptr{public://RAIIauto_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}~auto_ptr(){if (_ptr != nullptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;_ptr = nullptr;}}auto_ptr(auto_ptr<T>& ap):_ptr(ap._ptr){ap._ptr = nullptr; //管理权转移后ap被置空}auto_ptr& operator=(auto_ptr<T>& ap){if (this != &ap){delete _ptr;       //释放自己管理的资源_ptr = ap._ptr;    //接管ap对象的资源ap._ptr = nullptr; //管理权转移后ap被置空}return *this;}//可以像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr; //管理的资源};
}

std::unique_ptr

unique_ptr是C++11中引入的智能指针，unique_ptr通过防拷贝的方式解决智能指针的拷贝问题，也就是简单粗暴的防止对智能指针对象进行拷贝，这样也能保证资源不会被多次释放

int main()
{std::unique_ptr<int> up1(new int(0));//std::unique_ptr<int> up2(up1); //errorreturn 0;
}

简易版的unique_ptr的实现步骤如下：

1、在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源，利用对象的生命周期来控制资源。
2、对*和->运算符进行重载，使unique_ptr对象具有指针一样的行为。
3、用C++98的方式将拷贝构造函数和拷贝赋值函数声明为私有，或者用C++11的方式在这两个函数后面加上=delete，防止外部调用

namespace cxq
{template<class T>class unique_ptr{public://RAIIunique_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}~unique_ptr(){if (_ptr != nullptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;_ptr = nullptr;}}//可以像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}//防拷贝unique_ptr(unique_ptr<T>& up) = delete;unique_ptr& operator=(unique_ptr<T>& up) = delete;private:T* _ptr; //管理的资源};
}

std::shared_ptr

shared_ptr还会提供一个get函数，用于获取其管理的资源

class Resource 
{
public:void display() const {std::cout << "Resource is being used." << std::endl;}
};void useResource(Resource* res) 
{if (res){res->display();}
}int main() 
{std::shared_ptr<Resource> sp(new Resource());// 使用 get 函数获取原始指针Resource* rawPtr = sp.get();// 使用原始指针调用函数useResource(rawPtr);// 直接使用 shared_ptr 调用成员函数sp->display();return 0;
}

shared_ptr是C++11中引入的智能指针，shared_ptr通过引用计数的方式解决智能指针的拷贝问题。

每一个被管理的资源都有一个对应的引用计数，通过这个引用计数记录着当前有多少个对象在管理着这块资源。
当新增一个对象管理这块资源时则将该资源对应的引用计数进行++，当一个对象不再管理这块资源或该对象被析构时则将该资源对应的引用计数进行–。
当一个资源的引用计数减为0时说明已经没有对象在管理这块资源了，这时就可以将该资源进行释放了

通过这种引用计数的方式就能支持多个对象一起管理某一个资源，也就是支持了智能指针的拷贝，并且只有当一个资源对应的引用计数减为0时才会释放资源，因此保证了同一个资源不会被释放多次

int main()
{// C++11std::shared_ptr<A> sp1(new A(1));std::shared_ptr<A> sp2(new A(2));std::shared_ptr<A> sp3(sp1); // sp3 和 sp1 共享同一个A对象sp1->_a++;sp3->_a++; std::cout << sp1->_a<< std::endl;return 0;
}

namespace cxq
{template<class T>class shared_ptr{public://RAIIshared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr), _pcount(new int(1)){}~shared_ptr(){if (--(*_pcount) == 0){if (_ptr != nullptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;_ptr = nullptr;}delete _pcount;_pcount = nullptr;}}shared_ptr(shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount){(*_pcount)++;}shared_ptr& operator=(shared_ptr<T>& sp){if (_ptr != sp._ptr) //管理同一块空间的对象之间无需进行赋值操作{if (--(*_pcount) == 0) //将管理的资源对应的引用计数--{cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;delete _pcount;}_ptr = sp._ptr;       //与sp对象一同管理它的资源_pcount = sp._pcount; //获取sp对象管理的资源对应的引用计数(*_pcount)++;         //新增一个对象来管理该资源，引用计数++}return *this;}//获取引用计数int use_count(){return *_pcount;}//可以像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;      //管理的资源int* _pcount; //管理的资源对应的引用计数 ,一个资源对应一个count ，有几个资源就有几个count};
}

int main()
{cxq::shared_ptr<int> sp1(new int(1));cxq::shared_ptr<int> sp2(sp1);*sp1 = 10;*sp2 = 20;cout << sp1.use_count() << endl; //2cxq::shared_ptr<int> sp3(new int(1));cxq::shared_ptr<int> sp4(new int(2));sp3 = sp4;cout << sp3.use_count() << endl; //2return 0;
}

如何理解引用计数需要存放在堆区

shared_ptr中的引用计数count不能单纯的定义成一个int类型的成员变量，因为这就意味着每个shared_ptr对象都有一个自己的count成员变量，而当多个对象要管理同一个资源时，这几个对象应该用到的是同一个引用计数

在这里插入图片描述

shared_ptr中的引用计数count也不能定义成一个静态的成员变量，因为静态成员变量是所有类型对象共享的，这会导致管理相同资源的对象和管理不同资源的对象用到的都是同一个引用计数

在这里插入图片描述

如果将shared_ptr中的引用计数count定义成一个指针，当一个资源第一次被管理时就在堆区开辟一块空间用于存储其对应的引用计数，如果有其他对象也想要管理这个资源，那么除了将这个资源给它之外，还需要把这个引用计数也给它。

这时管理同一个资源的多个对象访问到的就是同一个引用计数，而管理不同资源的对象访问到的就是不同的引用计数了，相当于将各个资源与其对应的引用计数进行了绑定

在这里插入图片描述

std::shared_ptr的线程安全问题

模拟实现的shared_ptr还存在线程安全的问题，由于管理同一个资源的多个对象的引用计数是共享的，因此多个线程可能会同时对同一个引用计数进行自增或自减操作，而自增和自减操作都不是原子操作，因此需要通过加锁来对引用计数进行保护，否则就会导致线程安全问题。

比如下面代码中用一个shared_ptr管理一个整型变量，然后用两个线程分别对这个shared_ptr对象进行1000次拷贝操作，这些对象被拷贝出来后又会立即被销毁

void func(cxq::shared_ptr<int>& sp, size_t n)
{for (size_t i = 0; i < n; i++){cxq::shared_ptr<int> copy(sp);}
}
int main()
{	std::shared_ptr<int> p(new int(0));const size_t n = 1000;thread t1(func, p, n);thread t2(func, p, n);//线程等待t1.join();t2.join();cout << p.use_count() << endl; //预期：1return 0;
}

在这个过程中两个线程会不断对引用计数进行自增和自减操作，理论上最终两个线程执行完毕后引用计数的值应该是1，因为拷贝出来的对象都被销毁了，只剩下最初的shared_ptr对象还在管理这个整型变量，但每次运行程序得到引用计数的值可能都是不一样的，根本原因就是因为对引用计数的自增和自减不是原子操作

解决引用计数的线程安全问题，本质就是要让对引用计数的自增和自减操作变成一个原子操作，因此可以对引用计数的操作进行加锁保护

在shared_ptr类中新增互斥锁成员变量，为了让管理同一个资源的多个线程访问到的是同一个互斥锁，管理不同资源的线程访问到的是不同的互斥锁，因此互斥锁也需要在堆区创建。
在调用拷贝构造函数和拷贝赋值函数时，除了需要将对应的资源和引用计数交给当前对象管理之外，还需要将对应的互斥锁也交给当前对象。
当一个资源对应的引用计数减为0时，除了需要将对应的资源和引用计数进行释放，由于互斥锁也是在堆区创建的，因此还需要将对应的互斥锁进行释放。
为了简化代码逻辑，可以将拷贝构造函数和拷贝赋值函数中引用计数的自增操作提取出来，封装成AddRef函数，将拷贝赋值函数和析构函数中引用计数的自减操作提取出来，封装成ReleaseRef函数，这样就只需要对AddRef和ReleaseRef函数进行加锁保护即可

namespace cxq
{template<class T>class shared_ptr{private://++引用计数void AddRef(){_pmutex->lock();(*_pcount)++;_pmutex->unlock();}//--引用计数void ReleaseRef(){_pmutex->lock();bool flag = false;if (--(*_pcount) == 0) //将管理的资源对应的引用计数--{if (_ptr != nullptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;_ptr = nullptr;}delete _pcount;_pcount = nullptr;flag = true;}_pmutex->unlock();if (flag == true){delete _pmutex;}}public://RAIIshared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr), _pcount(new int(1)), _pmutex(new mutex){}~shared_ptr(){ReleaseRef();}shared_ptr(shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount), _pmutex(sp._pmutex){AddRef();}shared_ptr& operator=(shared_ptr<T>& sp){if (_ptr != sp._ptr) //管理同一块空间的对象之间无需进行赋值操作{ReleaseRef();         //将管理的资源对应的引用计数--_ptr = sp._ptr;       //与sp对象一同管理它的资源_pcount = sp._pcount; //获取sp对象管理的资源对应的引用计数_pmutex = sp._pmutex; //获取sp对象管理的资源对应的互斥锁AddRef();             //新增一个对象来管理该资源，引用计数++}return *this;}//获取引用计数int use_count(){return *_pcount;}//可以像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;        //管理的资源int* _pcount;   //管理的资源对应的引用计数mutex* _pmutex; //管理的资源对应的互斥锁};
}

在ReleaseRef函数中，当引用计数被减为0时需要释放互斥锁资源，但不能在临界区中释放互斥锁，因为后面还需要进行解锁操作，因此代码中借助了一个flag变量，通过flag变量来判断解锁后释放需要释放互斥锁资源。
shared_ptr只需要保证引用计数的线程安全问题，而不需要保证管理的资源的线程安全问题，就像原生指针管理一块内存空间一样，原生指针只需要指向这块空间，而这块空间的线程安全问题应该由这块空间的操作者来保证

std::weak_ptr

解决循环引用问题

weak_ptr是C++11中引入的智能指针，weak_ptr不是用来管理资源的释放的，它主要是用来解决shared_ptr的循环引用问题的

weak_ptr支持用shared_ptr对象来构造weak_ptr对象，构造出来的weak_ptr对象与shared_ptr对象管理同一个资源，但不会增加这块资源对应的引用计数

weak_ptr的模拟实现

1、提供一个无参的构造函数，比如刚才new ListNode时就会调用weak_ptr的无参的构造函数。
2、支持用shared_ptr对象拷贝构造weak_ptr对象，构造时获取shared_ptr对象管理的资源。
3、支持用shared_ptr对象拷贝赋值给weak_ptr对象，赋值时获取shared_ptr对象管理的资源。
4、对*和->运算符进行重载，使weak_ptr对象具有指针一样的行为

namespace cxq
{template<class T>class weak_ptr{public:weak_ptr():_ptr(nullptr){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp.get()){}weak_ptr& operator=(const shared_ptr<T>& sp){_ptr = sp.get();return *this;}//可以像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr; //管理的资源};
}

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std::auto_ptr

std::unique_ptr

std::shared_ptr

std::shared_ptr的线程安全问题

std::weak_ptr

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